Курс общей физики для студентов ИДО. Часть II. Электростатика. Магнетизм. Колебания и волны: Учебное пособие

Министерство образования Российской Федерации

В.В. ДАВЫДКОВ

КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ИДО

Часть II

Электростатика. Магнетизм. Колебания и волны

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Новосибирск

2005

УДК 53(075.8)

         Д 138

Рецензенты: А.А. Харьков, канд. физ.-мат. наук, доц.

                      А.В. Баранов, канд. физ.-мат. наук, доц.

Работа подготовлена на кафедре общей физики

Давыдков В.В.

Д 138 Курс общей физики для студентов ИДО: Учеб. пособие: 2-е изд., испр. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. Ч. II. – 158 с.

ISBN 5-7782-0538-4

В пособии изложен теоретический материал по электростатике и магнетизму, колебаниям и волнам. Учебное пособие соответствует программе изучения курса общей физики, рассчитанной на три учебных семестра.

Курс лекций по общей физике предназначен для студентов института дистанционного образования, изучающих вторую часть курса физики.

УДК 53 (075.8)

ISBN 5-7782-0538-4                                         Ó  Давыдков В.В., 2005

Ó Новосибирский государственный

технический  университет,  2005

1. Электростатика

Электростатика – раздел физики, изучающий взаимодействие неподвижных зарядов.

1.1.  Электрические заряды.

Свойства электрических зарядов

Явления, связанные с электрическими зарядами, известны людям с древних времён. Достоверно известно, что ещё в VI в. до нашей эры греческий учёный Фалес Милетский открыл эффект электризации янтаря*. Потёртый тканью янтарь притягивал к себе лёгкие предметы.

Однако изучение свойств зарядов началось лишь в XVII в.
В 1672 г. немецкий учёный Герике описал устройство созданной им «электрической машины», позволяющей получать довольно большие заряды. В этой же работе он сообщил об открытом им явлении – лёгкие тела могут не только притягиваться наэлектризованным телом, но и отталкиваться.

В 1734 г. французский учёный Дюфе открыл существование двух видов электрических зарядов – положительных и отрицательных. Он же установил, что одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые – притягиваются.

Петербургский академик Франц Эпинус в середине XVIII в. открыл закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма зарядов замкнутой** системы тел ни при каких условиях не изменяется.

Более поздние эксперименты позволили обнаружить и другие свойства зарядов:

– электрический заряд релятивистски инвариантен, т. е. его величина не зависит от скорости движения заряда;

________________________________

* Янтарь по-гречески – «электрон», отсюда и произошло слово электричество.

** Под замкнутой здесь понимается система, не обменивающаяся зарядами с внешними телами.

– наименьшим электрическим зарядом (элементарным зарядом) обладают электроны и протоны; заряд электрона считают отрицательным, протона – положительным; модули заряда электрона и протона точно равны между собой.

Количество электронов и протонов в неионизированном атоме одинаково, поэтому суммарный заряд такого атома всегда равен нулю. Следовательно, и суммарный заряд всех атомов вещества равен нулю.

Для того чтобы наэлектризовать вещество, необходимо сообщить ему (или удалить) некоторое количество элементарных зарядов одного знака (например, электронов). Этим обусловлено ещё одно свойство зарядов:

– электрический заряд дискретен, т. е. заряд тел изменяется неделимыми порциями, равными элементарному заряду: q = nq_e, где n = 1, 2, 3, … – целое число, q_e – элементарный заряд.

Заряд электрона равен -1,6^.10^-19Кл, заряд протона +1,6^.10^-19Кл.

Заряд элементарных частиц является их неотъемлемым свойством (так же как, например, инертность).

1.2.  Закон Кулона

Шарль Кулон в XVIII в. за-нимался изучением взаимо-дейдействия электрических за-рядов.

В качестве зарядов он ис-пользовал наэлектризованные шарики, размеры которых были малы по сравнению с расстоя-нием между ними. Такие заряды называются точечными.

В результате серии экспериментов он обнаружил, что сила электростатического взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению величин зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между заря-дами и направлена вдоль прямой, соединяющей точечные заряды

,

где F₁₂ – сила, действующая на первый заряд со стороны второго;

q₁, q₂ – величины первого и второго зарядов; r₁₂ – расстояние между зарядами; r₁₂ – вектор, соединяющий первый заряд
со вторым; модуль этого вектора равен расстоянию между точечными зарядами r₁₂; e_о – электрическая постоянная; e_о =
= 8.85×10^-12 Кл²/(Н^.м²)*; e – диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды.

Закон Кулона записан в форме, соответствующей международной системе единиц СИ. Это значит, что величина зарядов измеряется в кулонах (обозначается Кл), расстояние –
в метрах, а сила – в ньютонах.